广西西大明山地区上姜辉长岩地球化学特征及其地质意义

李泽民,冯佐海,李赛赛,张起钻,陆干强,白玉明,万 磊,蓝健宁

(1.桂林理工大学 a.广西隐伏金属矿产勘查重点实验室; b.地球科学学院,广西 桂林 541006; 2.长沙迪迈数码科技股份有限公司,长沙 410083; 3.广西壮族自治区地质矿产勘查开发局， 南宁 530031; 4.广西第四地质队,南宁 530031)

基性岩包含丰富的幔源信息,可以作为衡量重要构造转换时间的标尺,对于研究深部地幔性质、大陆动力学演化及岩浆的演化过程均具有十分重要的意义[1]。基性岩地球化学特征以及年代学特征已然成为一个重要的研究热点,尤其是对燕山晚期基性岩做了大量的研究工作,在基性岩地球化学特征、时空分布、物源特征、成因机制及其与成矿关系等方面取得了重大突破[2-13],但对于燕山晚期基性岩的岩浆演化过程及其构造背景尚存在较大争议[14-19]。

广西西大明山地区出露有较多的基性岩脉,然而对于该区基性岩的研究较少。徐争启等[2]认为西大明山地区西部大新县附近的基性岩分布主要受NW向断裂控制,形成于晚白垩世,基性岩脉与该区铀矿的形成有一定关系。本文以西大明山上姜辉长岩体为切入点,通过对辉长岩岩石学、地球化学以及年代学特征进行研究,分析该区岩浆演化过程及源区属性,进而对其形成的构造背景进行探讨。

1 区域地质特征

广西西大明山位于钦杭结合带西南端(图1),是广西非常重要的矿产资源整装勘查区[20-21]。 西大明山地区区域构造复杂,地层强烈褶皱,整体呈一核部为寒武系、两翼为泥盆系的短轴复式背斜[22]。 该复式背斜由一系列呈紧密线状排列的次级背、向斜组成,总体构造线呈近EW向,枢纽向东、西两端倾伏。 区域上EW向、NW向、NE向断裂发育。 根据断层与地层、断层与断层之间的相互切割关系,EW向断裂形成相对较早,形成于加里东期以前; 其次为NE向断裂,NW向断裂形成时间相对较晚[22]。 断层切割区内多个次级褶皱,造成褶皱残缺不全。 研究区内岩浆岩出露较少,主要为一些分布在研究区北部屏山一带的基性岩脉以及西大明山主峰附近的花岗斑岩脉。 朱革非认为,西大明山深部有隐伏岩体存在[24]; 2013年12月广西第四地质队在西大明山东部的罗维矿区有2个钻孔打到了隐伏花岗闪长岩体,通过锆石U-Pb测年,获得该隐伏岩体的年龄为99 Ma[25],表明其形成于燕山晚期。

图1 广西西大明山地区大地构造位置(a)及矿产地质简图(b)(据文献[23]修改)Fig.1 Geotectonic location(a) and mineral geological map(b) of Xidamingshan area,GuangxiQ—第四系; D3—上泥盆统; D2—中泥盆统; D1—下泥盆统; ∈h3— 寒武系黄洞口组第三段; ∈h2— 寒武系黄洞口组第二段; ∈h1—寒武系黄洞口组第一段; ∈x3—寒武系小内冲组第三段; ∈x2—寒武系小内冲组第二段; ∈x1—寒武系小内冲组第一段; βμ—辉绿岩; v—辉长岩; λπ—石英斑岩脉; q—石英脉; 1—背斜轴; 2—实测/推测断层; 3—地层界线; 4—不整合界线; 5—银矿; 6—金矿; 7—铅锌矿; 8—钨铋矿; 9—锑矿; 10—采样点

2 辉长岩地质特征

基性岩分布在西大明山地区的北部和西部(图1b),主要为辉绿岩脉,另有少量的辉长岩。 上姜辉长岩体位于西大明山隆起区的西南部,是西大明山地区出露规模最大的基性岩脉,整体呈近南北向展布,长100～120 m、宽30～50 m。 辉长岩体侵位于寒武系黄洞口组， 地表风化强烈。 由于当地开采石材,使新鲜的基岩得以出露地表。 岩石整体呈灰黑色,块状构造,辉长结构,粒径大多在0.5～1 mm,大者3～4 mm,长石多发生绿泥石化; 暗色矿物含量大于60%,自形程度好。

岩石成分以辉石、斜长石为主,辉石含量约45%,长石含量约50%,次为橄榄石、黑云母,副矿物为磁铁矿。辉石,柱状,大小0.3～4 mm(多在2 mm以下),轻微蚀变,被少量普通角闪石、透闪石、阳起石不均匀取代;斜长石,板柱状,长0.3～3.5 mm、宽0.1～0.6 mm,被黝帘石、绿泥石、绢云母(少量)不均匀取代,聚片双晶模糊不清,少量以假晶出现;橄榄石,粒状,大小0.5～1.5 mm,被透闪石、绿泥石、蛇纹石取代,外形保留,以假晶出现;黑云母,鳞片状,大小0.2～1 mm,已蚀变,被绿泥石、碳酸盐矿物取代,外形保留,以假晶出现;磁铁矿,粒状、树枝状，大小0.1～1.2 mm,星散分布。

3 辉长岩地球化学特征

辉长岩的主、微量元素测试均在澳实分析检测(广州)有限公司完成。其中主量元素测试采用荷兰PANalytical PW2424型X荧光光谱仪测定,微量元素测试采用美国Perkin Elmer Elan 9000型电感耦合等离子体发射质谱以及Agilent VISTA型电感耦合等离子体发射光谱测定,前者分析精度优于5%,后者分析精度优于10%。8件上姜辉长岩体岩石地球化学测试结果见表1、表2。

图2 上姜辉长岩野外露头及镜下照片Fig.2 Outcrop and micrographs of Shangjiang gabbroa—野外宏观照片;b—手标本照片;c—正交偏光镜下照片;d—单偏光镜下照片; Px—辉石; Pl—斜长石; Ol—橄榄石; Bi—黑云母; Mt—磁铁矿

表1 上姜辉长岩主量元素分析结果

Table 1 Major element analysis results of Shangjiang gabbrowB/%

成分H1H2H3H4H5H6H7H8Dx01Dx02-4Dx02-5Dx03 SiO245.7346.2546.2246.4245.9644.9646.1244.0347.2163.1478.6844.52 TiO21.551.561.441.351.331.622.001.672.944.420.613.20 Al2O312.0812.0812.2813.1912.9611.6011.6812.2712.9222.7413.3015.86 TFe2O312.4113.1812.4411.7012.4613.5613.5914.0522.230.701.0011.94 CaO10.459.219.669.428.8910.5510.2010.300.480.170.120.82 MgO11.2511.5512.1011.3011.2012.2510.5011.955.100.260.1813.93 MnO0.170.190.180.170.180.190.190.190.130.010.010.03 K2O0.700.570.610.920.910.550.380.790.100.100.190.28 Na2O1.862.131.972.072.091.482.261.320.030.020.06<0.10 P2O50.090.130.120.110.090.100.130.080.090.060.030.27 LOI3.363.483.443.403.733.423.073.768.798.355.779.29 Total99.65100.33100.46100.0599.80100.28100.12100.41100.0199.9699.94100.14

注: H1～ H8由澳实分析检测(广州)有限公司完成; Dx01、Dx02-4、Dx02-5、Dx03数据引自文献[2],岩性为辉绿岩，其中Dx02-4、Dx02-5蚀变明显；下表同。

表2 上姜辉长岩微量元素分析结果

Table 2 Trace element analysis results of Shangjiang gabbrowB/10-6

元素H1H2H3H4H5H6H7H8Dx01Dx02-4Dx02-5Dx-03 Rb29.020.521.835.633.919.013.328.76.783.738.607.46 Ba199.5202307364301156142.521859.212179.7107 Th2.203.492.962.812.682.513.482.233.353.5711.43.75 U0.430.750.590.590.540.470.710.473.993.734.1324.3 K5 8114 7325 0647 6377 5544 5663 1546 5588228221 5522 316 Ta0.590.850.610.640.600.600.830.521.282.261.111.46

续表2

续表2

3.1 主量元素

从表1可看出,样品的SiO2含量为44.03%～46.42%,Na2O+K2O为2.03% ～3.00%,整体上Na2O含量大于K2O。从TAS图解(图3)可以看出,大部分点落在碱性辉长岩区域,个别点落在橄榄辉长岩区域。AR值的变化范围较小,从SiO2-AR图解(图4a)可看出,上姜辉长岩所代表的岩浆系列为碱性系列。 在AFM图解(图4b)中显示出铁镁富集趋势,上姜辉长岩样品落在拉斑玄武岩区域。 通过对上姜辉长岩MgO与其他氧化物的协变分析(图5),CaO、Fe2O3与MgO呈正相关;SiO2、Na2O、Al2O3与MgO呈负相关;TiO2、P2O5、K2O与MgO关系不明确。辉长岩氧化物与MgO相关性反映出辉长岩形成过程中结晶分异作用不强烈[26]。

图3 上姜辉长岩TAS图解Fig.3 TAS diagram of Shangjiang gabbro1—橄榄辉长岩;2a—碱性辉长岩;2b—亚碱性辉长岩;3—辉长闪长岩;4—闪长岩;5—花岗闪长岩;6—花岗岩;7—硅英岩;8—二长辉长岩;9—二长闪长岩;10—二长岩;11—石英二长岩;12—正长岩;13—副长石辉长岩;14—副长石二长闪长岩;15—副长石二长正长岩;16—副长正长岩;17—副长深成岩;18—霓方钠岩/磷霞岩/粗白榴岩;Ir—Irvine 分界线,上方为碱性,下方为亚碱性

图4 上姜辉长岩SiO2-AR图解(a,底图据文献[27])与AFM图解(b,底图据文献[28])Fig.4 SiO2-AR(a) and AFM(b) diagrams of Shangjiang gabbro

3.2 微量元素

上姜辉长岩微量元素分析结果见表2。全岩微量元素原始地幔标准化图(图6)表现出大离子亲石元素(Rb、Ba、K、Sr)富集,Ta、Ce、P、Ti元素亏损的配分模式。 从Th/La-Ta/La图解(图7)可看出,上姜辉长岩岩浆可能来源于大陆地幔和原始地幔部分熔融的混合。

本次测试的辉长岩样品,∑REE为(59.93～94.52)×10-6,平均值75.03×10-6,稀土含量总体偏低。 全岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式(图8)显示,配分曲线呈典型的右倾型,轻稀土富集程度高于重稀土。 轻重稀土元素分馏明显,其中LREE在(50.26～80.54)×10-6,HREE在(9.67～13.98)×10-6,LREE/HREE=5.03～5.76。 除1个具有弱负异常外(δEu=0.90),其余7个样品Eu具有轻微正异常(δEu=1.01～1.10)。

图5 上姜辉长岩主要氧化物与MgO协变图解Fig.5 Major oxides vs. MgO diagrams of Shangjiang gabbro

图6 微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.6 Primitive mantle-normalized spider diagram

图7 Th/La-Ta/La图解(底图据文献[29])Fig.7 Th/La-Ta/La diagram

图8 稀土元素体球粒陨石标准化配分模式Fig.8 Chondrite-normalized REE patterns

4 辉长岩年代学特征

本次采集新鲜无蚀变的辉长岩30 kg,破碎至40～80目(0.42～0.177 mm),采用常规的重选和磁选技术分选锆石。 样品的破碎以及锆石的分选由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。 分选好的锆石经过重庆宇劲科技有限公司的挑选、制靶、抛光后对其进行透射光、反射光、阴极发光(CL)显微成像。 锆石的U-Pb同位素测年在广西隐伏金属矿产勘查重点实验室完成,仪器为多接收器电感耦合等离子体质谱仪(NEPTUNE)MC-ICP-MS 和氟化氩准分子激光器 (NEW WAVE 193 nm FX),束斑直径为24 μm,激光剥蚀样品深度为20～40 μm。 详细实验方法参照Liu等[30]。

辉长岩样品中的锆石阴极发光(CL)图像见图9。锆石颗粒较小且破碎,无色透明,自形-半自形,大多数呈粒状，长宽比为1～2,大部分具有典型的振荡环带,个别锆石颗粒边部具有不协调的变质增生边。 由于本次挑选的锆石颗粒比较小,部分锆石破碎,因此仅对其中的12粒锆石进行年代学分析,结果见表3。 锆石的Th、U含量分别为(171.31～6 672.84)×10-6(平均1 362.42×10-6)和(264.34～2 902.28)×10-6(平均954.08×10-6),Th/U值在0.12～2.57 (平均1.33),表明属岩浆型锆石。 12个测试点加权平均年龄为94.8±4.4 Ma,其MSWD=0.099(图10),属于燕山晚期,代表了上姜辉长岩的成岩年龄。

图9 锆石阴极发光(CL)图像Fig.9 Cathodoluminescence(CL) image of zircons

5 讨 论

岩浆在演化过程中会与周围环境进行一定的物质交换,因此可以依据岩浆岩化学成分的变化规律来探讨岩石的起源及构造背景[31-33]。 经过上述数据分析,认为该区辉长岩属于拉斑玄武岩系列。 因此,可以推测岩浆的形成与俯冲作用关系密切,可能受到太平洋板块俯冲的影响。 由MgO与其他氧化物的协变关系可知,岩浆在演化过程中结晶分异作用不强烈。 由表2可知: 上姜辉长岩体Zr/Nb值为6.25～6.84,低于MORB的Zr/Nb值(10～60)[34]; Th/Nb值为0.21～0.25,介于原始地幔和下地壳之间。 此外,上姜辉长岩体的Th/U值(4.65～5.34)也明显高于MORB(约3.00)和OIB(约3.40)。 同时,上姜辉长岩的La/Ta值(19.04～24.67)高于深部地幔物质岩浆(La/Ta=8～15),Th/Ta值(3.73～4.85)处于原始地幔(La/Ta=2.3)和大陆地壳(La/Ta=10)[35]之间,暗示原始岩浆受到地壳混染作用影响[36-37]。 在构造环境2Nb-Zr/4-Y判别图(图11),上姜辉长岩大部分落在板内碱性玄武岩范围内; 在Ti/100-Zr-3Y判别图(图12),上姜辉长岩均落在板内玄武岩区域; 在Ta/Hf-Th/Hf判别图(图13),上姜辉长岩样品落在陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区、陆内裂谷碱性玄武岩区和大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区的交点区域,三者皆属于大陆板内环境,暗示上姜辉长岩的岩浆结晶过程是在大陆板内完成的,并且可能受到陆内板块相互作用的影响,处于一种拉张-伸展的环境。

表3 上姜辉长岩锆石LA-ICP-MS定年分析数据Table 3 LA-ICP-MS dating analysis data for zircons from Shangjiang gabbro

图10 U-Pb年龄协和图Fig.10 U-Pb age concordia of zircons

目前对华南地块大地构造的研究比较统一的观点是受太平洋板块俯冲后撤的影响,华南地块在中生代处于一种挤压向伸展转换的构造环境[8,16]。 研究表明,120 Ma以后构造环境从挤压环境向伸展环境转换,毛建仁等[9]通过对华南三叠纪花岗岩、早侏罗世伸展型岩浆岩、钦杭结合带(东段)三条结合带的岩浆岩研究认为，华南中生代具有挤压-伸展构造转换的特性。

图11 2Nb-Zr/4-Y构造环境判别图(底图据文献[38])Fig.11 Discrimination diagram of 2Nb-Zr/4-Y for tectonic settings

图12 Ti/100-Zr-3Y构造环境判别图(底图据文献[32])Fig.12 Discrimination diagram of Ti/100-Zr-3Y for tectonic settings

图13 Ta/Hf-Th/Hf图解(底图据文献[39])Fig.13 Ta/Hf-Th/Hf diagramⅠ—板块发散边缘N-MORB区; Ⅱ—板块汇聚边缘(Ⅱ1—大洋岛弧玄武岩区; Ⅱ2—陆缘岛弧及陆缘火山弧玄武岩区); Ⅲ—大洋板内洋岛、海山玄武岩区及T-MORB、E-MORB区; Ⅳ—大陆板内(Ⅳ1—陆内裂谷及陆缘裂谷拉斑玄武岩区; Ⅳ2—陆内裂谷碱性玄武岩区; Ⅳ3—大陆拉张带(或初始裂谷)玄武岩区); Ⅴ—地幔热柱玄武岩区

西大明山地区上姜辉长岩锆石的LA-ICP-MS定年结果显示，岩浆结晶年龄为94.8±4.4 Ma,属于燕山晚期。目前，已知的华南西部右江褶皱带及其周缘地区出露的燕山晚期岩浆岩主要分布在滇东南、桂西、黔西南以及越南东北部,年龄分布范围为80～100 Ma[40-44]，而西大明山地区已知岩体的年龄在86～112 Ma[2,45-46]。以上岩体年龄均小于120 Ma,同时研究区在燕山晚期主要受近SN向的主压应力作用[22]。因此,上姜辉长岩体可能为燕山晚期受到太平洋板块正向俯冲后撤和非板块构造动力所驱动的陆内构造的复合影响下,由大陆地幔和部分熔融的原始地幔构成的混合岩浆沿南北向张性断裂上侵形成。

6 结 论

(1)西大明山地区上姜辉长岩为碱性辉长岩， 主要由单斜辉石和基性斜长石组成， 整体上Na2O含量大于K2O含量。经过原始地幔标准化处理后的微量元素表现出大离子亲石元素(Rb、Ba、K、Sr)富集， Ta、Ce、P、Ti元素相对亏损。轻稀土富集程度高于重稀土， Eu具有轻微正异常， 暗示岩浆源于大陆地幔和原始地幔部分熔融的混合， 演化过程中分离结晶作用不强烈。

(2)上姜辉长岩锆石U-Pb年龄为94.8±4.4 Ma， 属于燕山晚期， 代表了辉长岩的成岩年龄。

(3)上姜辉长岩体可能形成于燕山晚期的陆内环境，是在太平洋板块正向俯冲和非板块构造动力的共同影响下，大陆地幔和部分熔融的原始地幔所构成的混合岩浆沿南北向张性断裂上侵定位形成。